發(fā)布時(shí)間：2020-10-28 11:41

　　 無(wú)人飛行器行業(yè)的蓬勃發(fā)展是中國(guó)崛起,中國(guó)航空產(chǎn)業(yè)崛起的一大重要體現(xiàn)。無(wú)人機(jī)已經(jīng)開(kāi)始廣泛應(yīng)用于部分軍、商、工、農(nóng)以及日常活動(dòng)中,其中四旋翼無(wú)人飛行器是各類(lèi)型無(wú)人機(jī)中極具代表性的一種。然而隨著無(wú)人機(jī)普及程度的加深,其出現(xiàn)故障導(dǎo)致事故的嚴(yán)重程度會(huì)隨之放大,尤其以控制器故障最為突出。因此,控制器的故障診斷以及結(jié)構(gòu)健康管理等相關(guān)課題開(kāi)始受到重視。為了給故障診斷和結(jié)構(gòu)健康管理提供正確的數(shù)據(jù)樣本,得到準(zhǔn)確的診斷結(jié)果,同時(shí)也為了提高控制器性能,從根本上減少其故障發(fā)生的幾率,給無(wú)人機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行提供保障,論文以四旋翼無(wú)人機(jī)為研究對(duì)象,開(kāi)展了以姿態(tài)控制為核心的飛行控制方法研究。針對(duì)四旋翼無(wú)人機(jī)這種二階非線性、高耦合、欠驅(qū)動(dòng)系統(tǒng),文章首先采取牛頓-歐拉方程建立了動(dòng)力學(xué)模型和控制模型,然后基于傳統(tǒng)反步控制方法改進(jìn)設(shè)計(jì)了二次PID反步控制器,接著在此基礎(chǔ)上引入滑�？刂品椒ㄔO(shè)計(jì)了反步滑�？刂破�,最后結(jié)合分?jǐn)?shù)階微積分理論設(shè)計(jì)出分?jǐn)?shù)階飽和函數(shù)反步滑模控制器。三種控制器均在李雅普諾夫定理下和MATLAB/SIMULINK仿真實(shí)驗(yàn)中得到了穩(wěn)定性和有效性證明,其三者之間的關(guān)系以及性能好壞也在文章中進(jìn)行了詳細(xì)的比較和分析。在仿真實(shí)驗(yàn)中,反步控制器能使被控狀態(tài)在兩秒左右的時(shí)間內(nèi)達(dá)到期望值并保持穩(wěn)定。此外,實(shí)驗(yàn)表明反步高度控制器穩(wěn)定特征點(diǎn)的值約等于無(wú)人機(jī)實(shí)際受到的重力,這證明了該控制器快、準(zhǔn)、穩(wěn)且符合實(shí)際的特點(diǎn)。在抗擾動(dòng)實(shí)驗(yàn)中,反步滑�？刂破魍ㄟ^(guò)調(diào)整符號(hào)函數(shù)的系數(shù)ε,在同一擾動(dòng)情況下,相對(duì)于反步控制器,最高能降低95%由擾動(dòng)引起的狀態(tài)偏離,證明滑�？刂品椒ǖ囊�,確實(shí)能夠提高控制器對(duì)擾動(dòng)的魯棒性。而分?jǐn)?shù)階飽和函數(shù)反步滑�？刂破鲃t能夠通過(guò)引入分?jǐn)?shù)階飽和函數(shù),在提高25%的有效響應(yīng)速度的同時(shí),還能幾乎100%地抑制由滑�？刂品椒◣�(lái)的系統(tǒng)抖顫,進(jìn)一步提高了控制器的性能。最后的位置跟蹤實(shí)驗(yàn)中,論文設(shè)計(jì)的分?jǐn)?shù)階飽和函數(shù)反步滑模飛行控制系統(tǒng)能將耦合性較強(qiáng)的x和y方向的誤差控制在5%以內(nèi),z方向耦合性較弱,其誤差則能控制在0.3%以內(nèi),這證明了論文設(shè)計(jì)的飛行控制系統(tǒng)的有效性和正確性。
【學(xué)位單位】：電子科技大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類(lèi)】：V279;V249.1
【文章目錄】：
摘要
abstract
第一章 緒論
    1.1 課題研究背景和意義
    1.2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀
    1.3 本文研究目標(biāo)和章節(jié)安排
第二章 四旋翼無(wú)人機(jī)原理分析與模型建立
    2.1 四旋翼無(wú)人機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)
    2.2 四旋翼無(wú)人機(jī)飛行原理
        2.2.1 升力原理
        2.2.2 飛行原理
    2.3 四旋翼無(wú)人機(jī)完整數(shù)學(xué)模型的建立
        2.3.1 坐標(biāo)系的建立
        2.3.2 泰特布萊恩角
        2.3.3 描述姿態(tài)變化的方法
        2.3.4 完整數(shù)學(xué)模型
        2.3.5 控制模型的確定
    2.4 本章小結(jié)
第三章 基于反步控制方法的四旋翼無(wú)人機(jī)飛行控制器設(shè)計(jì)
    3.1 反步控制方法
        3.1.1 反步控制方法基本原理
        3.1.2 穩(wěn)定性分析
    3.2 基于反步控制方法的四旋翼無(wú)人機(jī)飛行控制器設(shè)計(jì)
        3.2.1 基于反步控制方法的姿態(tài)控制器設(shè)計(jì)
        3.2.2 基于反步控制方法的位置控制器設(shè)計(jì)
    3.3 基于反步控制方法的飛行控制器仿真實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析
        3.3.1 姿態(tài)控制器實(shí)驗(yàn)
        3.3.2 高度控制器實(shí)驗(yàn)
    3.4 本章小結(jié)
第四章 基于反步滑�？刂品椒ǖ乃男頍o(wú)人機(jī)飛行控制器設(shè)計(jì)
    4.1 滑�？刂品椒�
        4.1.1 滑模控制方法的基本原理
        4.1.2 滑�？刂品椒ǖ姆�(wěn)定性分析
    4.2 基于反步滑�？刂品椒ǖ乃男頍o(wú)人機(jī)飛行控制器設(shè)計(jì)
        4.2.1 基于反步滑模控制方法的姿態(tài)控制器設(shè)計(jì)
        4.2.2 基于反步滑�？刂品椒ǖ奈恢每刂破髟O(shè)計(jì)
    4.3 基于反步滑�？刂品椒ǖ娘w行控制器仿真實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析
        4.3.1 姿態(tài)控制器實(shí)驗(yàn)
        4.3.2 高度控制器實(shí)驗(yàn)
        4.3.3 反步控制方法與反步滑模控制方法抗干擾對(duì)比實(shí)驗(yàn)
    4.4 本章小結(jié)
第五章 基于分?jǐn)?shù)階飽和函數(shù)反步滑�？刂品椒ǖ乃男頍o(wú)人機(jī)飛行控制器設(shè)計(jì)
    5.1 分?jǐn)?shù)階微積分理論
        5.1.1 分?jǐn)?shù)階符號(hào)函數(shù)的功能有效性分析
        5.1.2 分?jǐn)?shù)階趨近律的可達(dá)時(shí)間分析
        5.1.3 分?jǐn)?shù)階系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析
    5.2 基于分?jǐn)?shù)階反步滑�？刂品椒ǖ娘w行控制器設(shè)計(jì)
    5.3 基于分?jǐn)?shù)階反步滑模控制控制器仿真實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析
        5.3.1 分?jǐn)?shù)階反步滑�？刂破鞣抡鎸�(shí)驗(yàn)
        5.3.2 飽和函數(shù)替代符號(hào)函數(shù)的反步滑�？刂破鞣抡鎸�(shí)驗(yàn)
        5.3.3 分?jǐn)?shù)階飽和函數(shù)替代符號(hào)函數(shù)的反步滑�？刂破鞣抡鎸�(shí)驗(yàn)
    5.4 本章小結(jié)
第六章 總結(jié)與展望
    6.1 全文工作總結(jié)
    6.2 后續(xù)工作展望
致謝
參考文獻(xiàn)
攻讀碩士學(xué)位期間取得的成果

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2860041